（石油与天然气工程专业论文）低渗透油田注二氧化碳地面工艺技术研究.pdf

摘要 随着油田勘探开发的不断深入，低渗透油田所占的比重越来越大，仅大庆长垣外围 就有3 7 x10 8 吨特低渗透扶杨油层储量，在常规注水开发条件下不能经济有效动用，低 渗透油田的高效开发显得日益重要。c 0 2 驱油技术的研究与应用起始于2 0 世纪5 0 年代， 室内和现场试验都曾表明c 0 2 是一种有效的驱油剂。随着c 0 2 集输、注入工艺的日趋成 熟及腐蚀与结垢问题的不断解决，7 0 年代，该方法逐渐应用于油田并逐年增加。因此， 研究低渗透油藏( 特别是扶余油层) 注气开发的可行性，研究配套的采油及地面工艺技 术对油田开发具有重要的现实意义。为了探索扶余油层有效动用模式，从2 0 0 2 年开始， 大庆油田分两个阶段开展了芳4 8 注气开发先导试验和扩大试验。同时探索地面建设模 式和研究经济适用的注入工艺和净化工艺。论文选用芳4 8 注气开发试验区地面注气工 艺的演变作为研究对象，对先导试验地面建设两个个阶段：简易注入试验流程阶段，小 规模试验撬装注入流程阶段，进行了分析和总结。形成了以“二氧化碳循环预冷，注入 泵前喂液增压，泵后二氧化碳换热升温为设计原理”的流程模式。进行了扩大试验区固 定注入流程设计研究，建成了大庆地区第一个规模化固定注入站。对建设和投产运行中 出现的问题进行了改进，完善了该工艺。对可能出现的生产问题进行了预测，并提出了 相应建议。 关键词：低渗透油田，二氧化碳，注气开发，地面工艺 s t u d i e so nt h es u r f a c et e c h n o l o g yo fc 0 2 i n j e c t i o n i ne x t r a - l o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l d q i us h i ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ra n j i a r o n g a b s t r a c t l o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l d sa leb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta st h ed e v e l o p m e n t o fo i l f i e l d t h er e s e r v e so ff u y a n gl a y e rl o c a t e di no u t s i d ed a q i n go i l f i e l d ，e x t r al o w p e r m e a b i l i t yo i l f i e l d ，i s3 7 0 ，0 0 0 ，0 0 0t o n i tc o u l d n tb ee f f e c t i v e l yd r i v e nb yc o n v e n t i o n a l w a t e ri n j e c t e d ，s oi ti sc r u e lt od e v e l o pl o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l dh i g he f f i c i e n c y t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc 0 2i n j e c t e do r i g i n a t e di n 19 5 0 s e x p e r i m e n t si nl a b & f i e l dt e s th a v es h o w e dt h a tc 0 2i sak i n do fe f f e c t i v eo i ld i s p l a c e m e n ta g e n t i n19 7 0 s ，c 0 2 i n je c t e dw a sg r a d u a l l ya p p l i e di n o i l f i e l d w i t ht h es o l v e dt oc o r r o s i o na n dc r u s t ，a n dt h e i m p r o v e m e n to fi n j e c t i o na n dp i p i n gt e c h n i q u e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d y p r a c t i c a b i l i t ya n dd e v e l o pt e c h n o l o g yo fo i lr e c o v e r ya n ds u r f a c ee q u i p m e n tt om a t c hw i t l l d e m a n d st ol o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l d f r o m2 0 0 2 ，d a q i n go i l f i e l db e g a nt oh a v ep i l o tp h a s e b yg a si n j e c t e di nf 4 8b l o c ki nt w os t e p si no r d e rt ok n o wf u - y ul a y e r ，m e a n w h i l e ，t r yt o r e s e a r c ht h es c h e m eo fs u r f a c ec o n s t r u c t i o na n de s t a b l i s ht h et e c h n o l o g yo fi n j e c t i o na n d c l a r i f i c a t i o n t h i sp a p e rt a k e st h ef 4 8b l o c ka st h ee x a m p l et os u mu pa n da n a l y z et w o s u r f a c ec o n s t r u c t i o ns t e p s ，o n ei ss i m p l ei n j e c t i o nt e s tp h a s e ，t h eo t h e ri ss m a l ls c a l et e s t h i g h b o yp h a s e w ec r e a t et h ep a t h ，w h i c hi st oc i r c u l a t ea n dp r e c o o lc 0 2 ，f e e df l u i dt o i n c r e a s ep r e s s u r eb e f o r ei n j e c t i o na n df e e dc 0 2t oi n c r e a s et e m p e r a t u r ea f t e ri n j e c t i o n w e b u i l tu pt h ef i r s ti n d u s t r i a li n je c t i o ns t a t i o ni nd a q i n ga n ds o l v e ds o m ep r o b l e m sd u r i n g w o r k i n ga n dp r o v i d e ds o m ea d v i c e s k e y w o r d s ：e x t r al o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l d ，c 0 2 ，g a si n j e c t i o n ，s u r f a c et e c h n o l o g y l l 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：低渔适渔圈逵三氢丝毯垫亘王茎堇丕硒塞 毕业院校：虫国虿迪盔堂( 坐苤2 毕业时间：2 q ! q 生! 旦! 三旦 论文类型：博士论文 口 硕士论文 博士后研究报告 口 同等学力论文 团 口 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研 究成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人为 获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 签名： 日期：砷年，月z 夕日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：劢7 年- bz 7 日 i ! ii i ：一年i 1e l 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 论文研究的目的和意义 低渗透储量在常规注水开发条件下不能经济有效动用，而随着油田勘探开发的不断 深入，低渗透油田所占的比重越来越大，仅大庆长垣外围就有3 7 1 0 8 吨的储量。这部 分储量的合理、高效开发显得日益重要。 c 0 2 驱油技术的研究与应用起始于2 0 世纪5 0 年代，室内和现场试验都曾表明c 0 2 是一种有效的驱油剂。随着c 0 2 集输、注入工艺的日趋成熟及腐蚀与结垢问题的不断解 决，7 0 年代，该方法逐渐应用于油田并逐年增加。但注c 0 2 非混相驱在解决低渗透油 藏开发方面是否可行还有待于进一步研究。 因此，研究低渗透油藏( 特别是扶余油层) 注气开发的可行性，探索低渗透油田注 c 0 2 提高采收率机理，分析注c 0 2 开发的技术界限及产量变化特点，研究配套的采油及 地面工艺技术，对油田开发具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 国外近年来注气技术发展很快，2 0 0 0 年3 月，美国油气杂志发表了e o r 调查， 结果表明注气己成为除热采以外发展较快的e o r 技术。根据国外7 0 多个油田统计，注 气( 尤其是c 0 2 驱油) 是改善开发效果、建立有效驱动体系的主要技术措施，采用气、 水交替注入和混合注入，可提高采收率7 1 5 个百分点。 美国、加拿大是最主要应用c 0 2 一e o r 的国家，c 0 2 的消费量约占总产量的7 0 - - - 8 0 ( 美国用于c 0 2 一e o r 用量约3 0 0 0 万吨年) 。形成了工业化的c 0 2 分离技术、c 0 2 运输 技术、防腐、防垢和防水合物技术。 美国n o r t hh o b b s 油田，已开发7 0 多年，目前由b r a v od o m ec 0 2 气藏供气，管 输1 6 k m ，管输压力1 3 3 m p a ，采用柱塞泵增至1 9 9 m p a 注入，集中注入c 0 2 工艺，产 量由5 0 0 0b d 上升到11 0 0 0 b d ，提高采收率1 4 1 5 ，使开发7 0 多年的油田再现生机。 美国、加拿大气源主要是天然c 0 2 气藏和电厂尾气，经液化厂采用醇胺法或膜分 离技术分离，液化后采用管道、车、船输送到油田注入站，加压后注入，采出气经分离 处理后，再注入，形成循环注入体系。 我国适应注气开采的储量很大，对于难以注水的油田( 如低渗透、强水敏) 注气更 是一种可行的开发方式。c 0 2 驱在我国六十年代初就受到了重视。 第一章前言 1 9 6 3 年首先在大庆油田作为主要提高采收率方法进行研究，并于1 9 6 5 年专门开辟 了小井距提高采收率试验区进行先导性试验。但由于缺乏气源和压缩机装备受制约，c 0 2 驱油技术在很长时间内一直处于室内实验研究和小型矿场试验阶段。1 9 8 5 年以来，根据 国内石油生产的需要，气体混相驱和非混相驱工作又得到了重视并展开，中原、大庆、 华北、大港、吐哈等油田相继开展了矿场试验。 大庆油田与法国研究院合作，利用大庆炼油厂加氢车间尾气，在萨南进行c 0 2 非混 相驱矿场试验，并还在北一区断东和北二区东部开展两个矿场试验，实行水气交替注入 方式：中原油田也与加拿大等国合作进行注烃或c 0 2 混相驱可行性研究。1 9 9 4 年以来， 吉林油田利用万金塔c 0 2 气田的液态c 0 2 ，在吉林油田开展c 0 2 吞吐和c 0 2 泡沫压裂。 华东石油局早在二十世纪八十年代初就发现了c 0 2 气田，1 9 9 9 年c 0 2 开始应用于油田 吞吐采油，经过多年实践，地面注入工艺积累了丰富的经验。目前，华东石油局拥有一 套工艺完善的c 0 2 活动注入系统，最大设计规模8 m 3 h ，最高设计压力2 5 m p a ，这套系 统主要用于c 0 2 吞吐采油，每次注入量为2 0 0 - - 7 0 0m 3 ，最长连续运行时间达7 0 小时。 1 9 9 6 年江苏油田在富民油田4 8 井开展了c 0 2 吞吐试验。大港大张坨凝析气田和塔西南 柯克亚凝析气田注气的成功，实现了我国注气开发凝析气田零的突破，为注气提高采收 率开辟了新途径。因此，注气提高采收率研究己成为我国石油工业自“九五”以来的一 个重要前缘研究课题，各油气田都在作一些前期的技术储备工作。 2 0 0 3 年在江苏油田草舍联合站建成了集中注入c 0 2 装置，辖5 口c 0 2 注入井，采 用连续注入工艺，注入能力为1 2 6m 3 h ( 实际控制注入流量5m 3 h ) ，注入压力3 0 m p a ， 注入站距井约l k m 。吉林油田、江苏油田其它注入井均采用撬装注入装置、单井注入工艺。 单井注入与集中注入工艺原理相同。均采取罐车运输液态c 0 2 导入低温储罐，通过喂液 泵确保注入泵的进口压力和流量，注入泵增压，经换热器升温，通过管线输送到各注气井 组。 1 3 大庆外围特低渗透油层注气的适应性 在大庆长垣高渗透区域已成功的开展过注c 0 2 驱油试验，而且取得了预期的试验效 果，但是在大庆油田外围低渗透区域，特别是特低渗透的扶余油层开展注c 0 2 驱油试验 尚属首次。通过室内试验研究，芳4 8 区块混相压力为2 9 m p a ，由于此压力超地层破裂 压力，故该区块不能实现混相驱。但根据低渗透油藏对c 0 2 这类低粘度流体阻力很小的 特点，在不能以经济速度注水或驱替溶剂段塞来提高油藏压力时，采用注c 0 2 的方法， 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 即使是非混相驱也能较好的达到提高原油采收率的目的，选择注c 0 2 驱油又是较好的选 择方式之一。 一个油田能否应用c 0 2 驱油，有无气源是很关键的问题。在这方面，油区附近有芳 深2 气藏，能够提供稳定的、高纯度的气源。另外，如果规模再扩大的话，大庆炼厂每 天还可以提供至少2 4 x 1 0 4 m 3 c 0 2 气体；龙凤热电厂和新华电厂还有大量的烟道气，其中 c 0 2 气体含量按1 0 计算，每天可以从烟道气中获得3 9 6 1 0 4 m 3 c 0 2 气体( 折合7 8 4 0 吨) 。距油区不远的吉林油田也有丰富的c 0 2 资源，完全能够满足矿场试验及大规模注 入的需求。因此，从大庆外围特低渗透扶余油层的储层特征及油区内气源供应方面看， 在该区进行c 0 2 驱油试验是可行的。 1 4 论文完成的主要工作 ( 1 ) 对国内外油田注气开发现状进行了广泛的调研，分析了大庆外围特低渗油田 注气开发的可行性。 ( 2 ) 介绍了c 0 2 的物理化学性质和注c 0 2 气体提高采收率的机理。 ( 3 ) 对c 0 2 来源、净化和输送等相关技术进行了阐述。 ( 4 ) 开展了芳4 8 区块注c 0 2 驱油试验地面工艺技术研究，形成了一套相对完备的 c 0 2 驱油注入工艺流程。 ( 5 ) 对生产中可能出现的问题进行了分析，并提出相应对策。 第二章c 0 2 理化性质及注c 0 2 提高采收率机理 第二章c 0 2 理化性质及注c 0 2 提高采收率机理 2 1c 0 2 的物理化学性质 在常温常压下，c 0 2 为无色无臭的气体，其比重约为空气的1 5 3 倍。在压力为1 a t m ， 温度为o c 时，c 0 2 的密度为1 9 8 k g m 3 ，导热系数为0 0 1 7 4 5 c a l m s ，动力粘度系数 为0 0 1 3 8 m p a s 。c 0 2 化学性质不活泼，既不可燃，也不助燃，无毒，但具有腐蚀性。 它与强碱有强烈的作用，能生成碳酸盐，在一定条件及催化剂作用下，c 0 2 还能参加很 多化学反应，表现出良好的化学活性。 在不同的条件下，c 0 2 可以以气、液、固三种状态存在。c 0 2 相态图如图2 1 所示。 9 9 9 9 9 1 0 o 1 2 0 0 温度 c 图2 - 1 二氧化碳相态图 f i 9 2 - 1t h ep h a s es t a t eo fc 0 2 ( 1 ) c 0 2 在5 6 6 和5 2 7 大气压时为三相共存点。 ( 2 ) c 0 2 在3 l 和7 2 9 9 大气压时为临界点。 ( 3 ) 三相点压力( 5 2 7 大气压) 以下时，温度升高，c 0 2 由固态直接升华为气态。 ( 4 ) 高于三相点压力( 5 2 7 大气压) ，低于临界压力( 7 2 9 9 大气压) ，随温度升高 依次为固、液、气三种状态。 ( 5 ) 超过临界温度后，不论压力有多高，c 0 2 都以气态存在；与临界温度相应的 临界压力是7 2 9 9 大气压。超过临界温度和临界压力之后。，纯c 0 2 不可能被液化。然而， 4 压力15pa 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 在超过临界压力的高压条件下，随着压力增加，c 0 2 汽变成为一种粘稠状物质，很像液 体的假液体。 ( 6 ) 液态c 0 2 减压迅速蒸发时，一部分汽化吸热，另一部分骤冷变成雪状固体， 俗称干冰。 ( 7 ) c 0 2 能和水在一定温度和压力条件下形成水化物。 表2 1 给出了c 0 2 的临界值。 表2 - 1c o z 的临界值( k e n n e d y 和t h o d o s ) 温度 3 0 4 2 k 压力 7 2 9 9 m p a 密度0 4 6 7 克厘米2 粘度 o 0 3 3 3 5 厘泊 体积9 4 2 4 厘米3 克分子当量 偏差系数0 2 7 5 2 2 注c 0 2 气提高采收率的机理 c 0 2 是一种在油和水中溶解度都很高的气体，当它大量溶解于原油中时，可以使原 油体积膨胀、粘度下降，还可降低油水间的界面张力；c 0 2 溶于水后形成的碳酸还可以 起到酸化的作用。它不受井深、温度、压力、地层水矿化度等条件的影响，由于以上各 种作用和广泛的适用条件，注c 0 2 提高采收率的应用范围十分广泛。 人们通过大量的室内和现场试验，都证明了c 0 2 是一种有效的驱油剂，并相继提出 了许多注入方案。包括：连续注c 0 2 气体；注碳酸水法；注c 0 2 气体或液体段塞后紧接 着注水；注c 0 2 气体或液体段塞后交替注水和c 0 2 气体( w a g 法) ；同时注c 0 2 气体 和水。 连续注c 0 2 驱替油层时，由于不利的流度比和密度差，宏观波及系数很低，c 0 2 用 量比较大，实施起来不够经济，用价廉的顶替液驱动c 0 2 段塞在经济上更有吸引力。 用碳酸水驱油实质是利用注入的水和c 0 2 溶液与地层油接触后，从其中扩散出来的 c 0 2 来驱油，但此扩散过程较慢，与注入纯c 0 2 段塞相比，达到的采收率比较低。 注c 0 2 段塞的工艺包括：注c 0 2 段塞后注水、注段塞后交替注水和注c 0 2 气体， 前一种方法是水驱动c 0 2 段塞驱扫整个油层，尾随的水不混相地驱替c 0 2 ，在油层中留 下一个残余的c 0 2 饱和度。后一种方法，其目的在于降低c 0 2 的流度，提高油层的波及 系数。提出的另外一种工艺是通过双注系统同时注水和c 0 2 ，但这种工艺的施工和完井 的成本高，经济风险更大。沃那( w a l - l l c r ) 和费耶尔斯( f a y e r s ) 等人在模拟研究中证 第二章c 0 2 理化性质及注c 0 2 提高采收率机理 明，w a g 注入法要比连续或单段塞注入法优越。沃那的研究结果还表明，连续注c 0 2 可采出潜在剩余油量的2 0 ；注c 0 2 段塞可采出2 5 ；而w a g 法可采出注水后地下 原油的3 8 ；同时注入气与水可采出4 7 的原油，但此法仍存在着严重的操作问题。 由此看来，w a g 法仍是最经济可行的c 0 2 驱工艺，但它不适合于低渗透砂岩，因为在 这种砂岩中，由于水的流度很低，变换注入方式可能造成注入速度严重降低。 a f 淄i 鬻 缓 藜i 铲 ，滴帮，：! 黝 原生水 c b 、 f 荔缓l 萋照燕：；缀 驱动水 溺溪藤二鹁薹露猿 原生水 d 图2 - 2a 一碳酸水驱工艺简图b - c 0 2 段塞和水驱工艺简图 c 一水一交替c 0 2 气工艺简图胪同时注水一气工艺简图 f i 9 2 2 a - t h ed i a g r a mo fc a r b o n a t e dw a t e rf l o o d i n gp r o c e s s b - t h ed i a g r a mc a r b o nd i o x i d es l u ga n dw a t e rf l o o d i n gp r o c e s s c - c 0 2 一w a t e ra l t e r n a t i n gp r o c e s s d - c o n t e m p o r a r yi n j e c t i n gw a t e ra n dg a sp r o c e s s 因为c 0 2 的分子不具有水分子的固有极性，所以在较高的油藏温度和压力下，它不 是以低粘度的液体溶于油中，就是以高密度的气体溶于油中；并且随着压力的升高，其 溶解量也相应增大。原油中溶有注入的c 0 2 时，原油性质会发生变化，甚至油藏性质也 会得到改善，这就是c 0 2 提高原油采收率的关键。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第三章注c 0 2 驱油地面相关技术 3 1c 0 2 的来源 油田c 0 2 驱油能否顺利进行，经济效益如何，都与c 0 2 的来源有密切的关系。c 0 2 可以从以下几个途径中得到： ( 1 ) 天然的c 0 2 矿藏 c 0 2 有时以接近纯c 0 2 的形式或与氮气、烃气一起储集在地层中。在该试验区附近， 昌德气田芳深9 区块就属纯c 0 2 气藏。 ( 2 ) 天然气处理厂 在许多天然气气田，c 0 2 属于杂质，在气体销售前须先在处理厂脱除，这部分c 0 2 气体可用于c 0 2 驱油。 ( 3 ) 氨气副产品 天然气合成氨的副产品叫0 2 中的c 0 2 浓度大约可达9 8 。这种高质量的c 0 2 不需要进一步精制，经压缩、脱水和输送到油田之后就可直接用于驱油。 ( 4 ) 电厂烟道气 电厂烟道气是分布最广的c 0 2 气源。它含c 0 2 的浓度低( 6 1 6 ) ，这主要看电 厂是烧气还是烧油或烧煤。如果电厂烧的是煤，气中还含有其它成分，除飞灰和氧化硫 外，还包括氮气和氧气，烟道气的压力基本上只有0 1 m p a 的气压，为此，还必须对其 进行精制、脱水并输送到油田。 ( 5 ) 其它气源 在驱油过程中产出的c 0 2 可以回注，但必须经过净化处理，这也是c 0 2 很有价值的 来源。位于炼油厂的制氢厂副产品，其中的c 0 2 可以满足油田需要，除脱水压缩外不需 精制。大庆早期开展的先导试验，即是炼油厂加氢车间的副产品。在酸气分离厂，分离 出的气体含c 0 2 ，水泥厂和石灰煅烧厂的烟道气，环氧乙烷和丙烯厂副产品的c 0 2 ，这 些气源的供气量可能很小，除非离候选油田很近，否则很可能是不经济的。且在用于驱 油前也需要进行精制。 3 2 注c 0 2 气驱油工艺流程 利用c 0 2 提高原油采收率，其特点是要向地层注入大量的化学剂，而且注入速度很 高，工艺上要解决大量的c 0 2 运输、储存、分配、注入以及见气后净化回收利用等问题。 7 第三章注c 0 2 驱油地面相关拉术 系统包括：c 0 2 气源；c 0 2 的浓缩装置；c 0 2 的处理及输送装置；储藏系统；管道输送 系统；向地层注入c 0 2 的高压机组；c 0 2 分配站；向油层注入c 0 2 的注入井；随地层中 的产出液一起产出的c 0 2 气的分离和处理系统：另外，防腐和防水化物形成的控制和监 测系统；安全系统和环境保护系统。也是注c 0 2 不可缺少的辅助系统。 图3 - 1c o - e o r 形成生产- 注入- 采出插集- 分离一再注 系统 f i 审- 1 t h es y s t e mo f c 0 2 - e o r s f o m a t i o n p r o d u c t i o n - i n j e c t i o n r e c o v e r y c a p m 肥s e p a r a t i o n - r e - i 叫e c t i o n 一般情况下，油r ； 根据气源状况，注气规模，注入和采出要求，对系统进行相应调 整。c 0 2 驱所需油田生产设施包括五大系统；供水和注水系统；供气和注气系统；油气 集输和混合气净化系统；井口装置系统：井下装置系统。 至 卜一生产井；2 一油气集输站；3 一油：4 一输油装置；5 一输油管线；6 一水：7 一 注水站；8 - 掘台气；9 一混合气分离装置；1 0 - 可燃气体：l l 一分离出的c 0 2 气；1 2 一c 0 2 气辣：13 一c q 输送装置1 4 一往气站；1 5 一注气管线；1 6 一注入 井：1 7 一水源 图3 - 2 油船注c o , 工艺流程图 f i 9 3 _ 2t h ef l o wd i a g r a mo fo i l f i e l dmi n j e c t i o np r o c e s s ；| 增 ，一： 蚕。拶莽下霉 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 3 2 1 供水和注水系统 供水和注水系统包括水源、供水管线、注水站和注水管线。 大部分供水和注水设备仍可使用，无需更换，只须作部分修改和改进，也需新建一 些设施，以便灵活和方便地注入缓蚀剂。 3 2 2 供气和注气系统 供气和注气系统包括c 0 2 气源、供气管线、注气站和注气管线。如果c 0 2 气源的压 力大于注气压力，可直接输入油田的配气系统。为了防腐和注入时的灵活性，需要将 c 0 2 和水经各自的系统分别输送到注入井。如果c 0 2 气源的压力小于注气压力，输送到 油田后，必须加压，再输入配气系统。 3 2 3 油气集输和混合气净化系统 油气集输和混合气净化系统包括油气集输站和混合气净化站。 油气集输站主要是将油、水和气分离，并分别输出。混合气净化站主要负责分离和 净化混合气体，主要是将可燃和不可燃的气体分开和净化。 3 2 4 井口装置系统 注c 0 2 和水要有合适的井口装置，该装置在设计时首先要考虑防腐，要具有灵活性， 要能方便地控制注气和注水量。 3 3c 0 2 净化处理 由于初始所用的c 0 2 是外购，此项费用是c 0 2 驱工程中很大的一项成本开支。因此， 在c 0 2 通过油层产出后，就必须加以净化以备再注入，节约成本，并避免c 0 2 造成大气 污染。所以c 0 2 驱工程伴生气中c 0 2 的分离技术是关键技术之一。 c 0 2 的净化设施，特别是c 0 2 驱的伴生气处理设施，通常比传统的气体处理设备更 复杂，费用也更高。因此，选择气体处理方案时应结合油田的具体情况，考虑多方面的 因素，如原料气成分、c 0 2 产品质量要求、烃类回收、脱硫及投资和运行成本等，以确 定一种最合适的、费用最节省的气处理方案。 c 0 2 驱工程伴生气的分离方法很多。主要有如下几类：化学溶剂法；物理溶剂法； 薄膜分离法；低温分馏法；低温分离法；变压吸附法；低温低压分离法。 3 3 1 化学溶剂法 该工艺过程是将原料气体和某种化学溶剂接触使其发生化学反应，c 0 2 被吸收在溶剂 中，然后从富含c 0 2 的溶液中汽提出c 0 2 ，达到分离的目的。 9 第三章注c 0 2 驱油地面相关技术 这类化学溶剂可以是各种醇胺类溶液或碱盐溶液。醇胺溶液主要有：乙醇胺( m e a ) 、 二乙醇胺( d e a ) 、三乙醇胺( t e a ) 、二甘醇胺( d g a ) 、二异丙醇胺( d i p a ) 及甲基二乙醇胺 ( m d e a ) 等，而碱盐溶液则以碳酸钾最为典型。 图3 3 所示为醇胺类脱除c 0 2 的工艺流程简图。原料气自下而上通过吸收塔，溶剂 则从塔顶喷下，两者逆流相接触发生化学反应，c 0 2 被吸收在溶剂中由吸收塔底部排出 到汽提塔进行汽提释放出c 0 2 。 回 流 罐 图3 3 妮a 脱0 c 1 2 工艺流程图 f i 9 3 3 t h ef l o wd i a g r a mo fd e c a r b o n a t i o nb ym e a 热钾碱也是天然气脱c 0 2 常用的吸收剂之一，特别适合从低含h 2 s 或不含h 2 s 的 气体中脱除c 0 2 。热钾碱法脱c 0 2 与胺法脱c 0 2 具有相似的工艺流程，有一个吸收塔和 一个再生塔。工业中常采用热钾碱法中的苯菲尔德法脱除天然气中的c 0 2 ，吸收剂是碳 酸钾水溶液，在其中加人一乙醇胺( m e a ) 作为活化剂。 图3 - 4 苯菲尔德法脱c 0 2 工艺流程图 f i 9 3 - 4 t h ef l o wd i a g r a mo fd e c a r b o n a t i o nb yw a y so fb e n f i e l d l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 化学溶剂法的特点是操作较为复杂，溶解热高，需要很高的再生能量；选择性差， 对酸气的溶解能力低；溶剂循环率高，需要较多的吸收装置，因此投资及运行费用较大。 3 3 2 物理溶剂法 物理溶剂法是在一定压力下用溶剂对酸性气体进行物理吸收来脱除酸性气成分，并 不发生化学反应。主要是通过交替改变c 0 2 和吸收剂之间的操作压力和操作温度以实现 c 0 2 的吸收和解析，溶剂的再生则通过降压来实现，从而达到分离的目的。典型的物理 溶剂法有s h e l l 公司的环丁砜( s u l f i n 0 1 ) i 艺和n o r t o n 公司的聚乙二醇二甲醚( s e l e x 0 1 ) 工艺。三乙醇氨也可作为物理溶剂使用。 图3 5s e l e x o l 法脱c 晚工艺流程图 f i 9 3 5 t h ef l o wd i a g r a mo fd e c a r b o n a t i o nb yw a y so fs e l e x o l 聚乙二醇二甲醚工艺流程包括一个吸收塔和一套闪蒸和或汽提的解析装置。原料 气进入吸收塔底部，被自上而下的再生过的溶液所洗涤。净化气由塔顶引出，塔底的富 液通过减压闪蒸得以再生。通常经过两级或三级闪蒸，最终压力为常压或低于常压。从 最高压力闪蒸级出来的气体大部分是溶解的非酸性气体，通常被再压缩并返回到吸收 塔。离开最后闪蒸级的溶液可送入汽提塔用空气或惰性气体解析掉残余的酸性气，再生 过的溶剂送往吸收塔顶部。 物理溶剂法溶解负荷较化学溶剂法高，溶剂的再生能力主要靠压力的降低。因此， 从这些溶剂中回收c 0 2 并使之再生所需要的能量相当少。如果伴生气是在较高压力下采 得，那么物理溶剂法是较好的选择。若伴生气压力低，c 0 2 的的分压也低，这时要对原 料加压才能进行气体吸收。通常要加压到2 1 - - 4 2 m p a ，增加运行费用。 第三章注c 0 2 驱油地面相关技术 n h d 工艺是南化公司研究院于2 0 世纪8 0 年代初开发成功一种较为先进的脱碳技 术，它与国外的s e l e x o l 工艺类似，只是两者所用溶剂的组分不同。n h d 溶剂的主要成 分是聚乙二醇二甲醚的同系物，其脱c 0 2 效率在物理吸收法中较高。该吸收溶剂目前在 国外已广泛用于天然气、油田伴生气、炼厂气等工艺气体中酸性组分的脱除，尤其是对 h 2 s 与c 0 2 具有较高的吸收功能。n h d 脱碳过程是典型的物理吸收过程。应在高压、 低温下对c 0 2 进行吸收。当系统压力降低、温度升高时，溶液中溶解的气体释放出来， 实现溶剂的再生。 n h d 工艺具有以下特点：能选择性吸收c 0 2 且吸收能力强；溶剂具有良好的化学 稳定性和热稳定性，不氧化，不降解；n h d 溶液不起泡，不需要消泡剂；溶剂无毒无 味，不污染环境，腐蚀性小；溶剂的蒸汽压极低，挥发损失很少，流程中不需设置洗涤 回收装置。 3 3 - 3 薄膜分离法 某些聚合材料制成的薄膜可用来分离气体。7 0 年代初出现了高通量不对称薄膜后， 薄膜气体分离法在经济上的竞争力开始显现出来，特别是用于天然气中的酸性气体的分 离，获得了较好的效果。 薄膜分离气体的基本原理是：由某些聚合材料如醋酸纤维、聚酰亚胺等制成的薄膜 对不同的气体显示不同的渗透率，即不同的气体能以不同的速率透过薄膜。以c 0 2 和甲 烷为例，c 0 2 通过薄膜的速率比甲烷快2 5 倍之多。压力是薄膜渗透的主要驱动力，当 薄膜两边存在压差时，渗透率高的气体组分中，大部分气体以很高的速率透过薄膜，聚 集在薄膜的一侧( 称为渗透侧即低压侧) 形成渗透气流，而渗透率低的气体组分中绝大部 分则留在薄膜的进气侧( 即高压侧) 形成残留气流。两股气流分别引出而达到气体分离的 目的。 薄膜分离系统的主要性能取决于： 原料气成分和状态( 压力和温度) ； 渗透气中c 0 2 的纯度要求； 残留气体允许的c 0 2 浓度； 要求回收的c 0 2 总量。 薄膜的应用范围是从c 0 2 含量高( 4 0 - - 5 0 ) 的e o r 伴生气中对c 0 2 作大容量粗 脱除。c 0 2 含量和伴生气压力越高，薄膜竞争力越大。薄膜分离系统后应有其它型式的 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 c 0 2 脱除工艺以达到最后的净化。分单级膜与多级膜两种分离法。具体见图3 - 6 、图3 7 。 聚结过滤器 净化气 图3 - 6 单级膜分离法脱除酸性气体流程示意图 f i 9 3 6 t h ef l o wd i a g r a mo fr e m o v i n ga c i dg a s b yw a y so fs i n g l e - s t a g em e m b r a n es e p a r a t i o n 第二级膜分离 图3 - 7 两级膜分离法脱除酸性气体流程示意图 f i 9 3 7t h ef l o wd i a g r a mo fr e m o v i n ga c i dg a sb yw a y so ft w o - s t a g em e m b r a n es e p a r a t i o n 3 3 4 低温分馏法 在低温下分馏可将e o r 工程伴生气分离成甲烷流、c 0 2 流和液态天然气流。可用 于e o r 工程伴生气的最典型的低温分馏法是美国k o c hp r o c e s s ( k p s ) 公司的r y a nh o l m s 工艺。该工艺主要涉及到三个主要的分离过程，即甲烷和c 0 2 的分离、c 0 2 和乙烷的分 离及c 0 2 和h 2 s 的分离过程，在这三个分离过程中都使用了添加剂以解决各自遇到的问 题。目前，r y a nh o l m e s 工艺主要有三塔方案和四塔方案两种，三塔方案如图3 8 。 三塔工艺方案由甲烷脱除塔、乙烷回收塔和添加剂回收塔依次组成，含c 0 2 、h 2 s 天然气经压缩、脱水和冷却处理后，送入脱甲烷塔。脱甲烷塔塔顶馏分主要是甲烷和较 轻的组分( 如氮气) ，塔底产物则为c 0 2 、乙烷以及较重的烃类，包括c 3 、c 4 + 和添加剂。 若原料天然气中同伴有h 2 s ，则全部h 2 s 将馏在塔底产物中，然后脱甲烷塔的塔底产物 送往乙烷回收塔。乙烷回收塔的塔顶馏出物主要是c 0 2 ，塔底产物为乙烷、h 2 s 、c 3c 4 第三章注c 0 2 驱油地面相关技术 及添加剂，此塔底产物又进入到添加剂回收塔。添加剂回收塔主要是将较轻的液态天然 气与较重的液态天奎气分离。塔顶产物是c 2 、c 3 和部分c 4 以及全部h 2 s 。而塔底产物 则是丁烷以及较重翻烃类，可将部分塔底产物作为添加剂循环到前面两个塔。 c 0 2 产品 添加剂循环 图3 8r y a nh o l m e s 工艺三塔方案 f i 9 3 - 8r y a nh o l m e sp r o c e s ss a n t ap r o g r a m 图3 - 9 所示为r y a nh o l m e s 工艺的四塔方案。主要包括乙烷回收塔、c 0 2 回收塔、 甲醇脱除塔和添加剂回收塔。含c 0 2 天然气进入乙烷回收塔，在添加剂作用下分离成塔 顶c 0 2 流和塔底乙烷、h 2 s 和c 4 物流。塔顶c 0 2 经过压缩和制冷后进人c 0 2 回收塔， 这里不用添加剂，塔顶馏出物是含1 5 - - v 3 0 c 0 2 的甲烷气，塔底产物是液态c 0 2 ，c 0 2 回收塔的塔顶产物送入到甲烷脱除塔，因其中c 0 2 含量大大降低，故使用少量添加剂就 可使甲烷脱除塔塔顶产物达到管输的质量标准，甲烷塔的塔底产物与来自添加剂回收塔 的部分塔底产物混合作为乙烷回收塔的添加剂。乙烷回收塔的塔底产物送入添加剂回收 塔，塔顶馏出物为乙烷、丙烷、丁烷以及原料中的全部h 2 s ，经过胺处理系统处理后得 到液态天然气( c 2 c 4 ) 和元素硫，塔底产物则是液态天然气c 4 + 和可循环利用的添加剂。 尽管低温分馏是一种高能耗工艺，但在被处理的气体含有大量c 0 2 ( 以及h 2 s ) 时， 其他净化工艺的能耗也相当时，采用该法具有竞争力。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 含 图3 - 9r y a nh o l m e s 工艺四塔方案 f i 9 3 - 9r y a nh o l m e sp r o c e s sf o u rt o w e r sp r o g r a m 3 3 5 低温甲醇洗分离法 低温甲醇洗工艺以冷甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的 优良特性，脱除原料气中的酸性气体。气体的脱硫和脱碳可在同一个塔内分段、选择性 地进行。 低温分离法脱c 0 2 工艺流程如图3 一l o 所示。原料气进入吸收塔的底部与塔顶喷淋 下来的冷甲醇在塔内进行逆流吸收，出塔后经分离器除去所夹带的甲醇液滴后进入后续 工艺，吸收了h 2 0 、c 0 2 和h 2 s 等杂质的甲醇经节流阀第一次降压后进人第一解析器， 将c h 4 先解析出来。解析气中c 0 2 含量较少，并可作为再生气经加热后去干燥再生分子 筛，然后再与其他解析气混合作为燃料气。甲醇自第一解析器出来后再进行第一次节流， 降压后进入第二解析器，使溶解在其中的气体进一步解析出来。甲醇液相继续节流降压 后送人解析塔顶部，而由塔底进人的解析气对之进行汽提，将甲醇中残留的c 0 2 气体解 析出去，从而完成甲醇的再生。再生好的甲醇出解析塔后先进入氨蒸发器冷却后再由循 环甲醇泵加压，并送入吸收塔顶部循环使用。为保证解析完全，解析塔底汽提气采用循 环气，流程中氨蒸发器主要是在开车启动时快速冷却甲醇使用。 低温甲醇洗法用于天然气脱c 0 2 过程具有以下特点：溶解度高，而且不用化学法再 生时的大量热能，大大降低了净化成本，减少了设备投资；选择性强，甲醇对c 0 2 、h 2 s 和水都有较大的溶解度，对其他组分的溶解度小，这样就可以同时将有害物质吸收分离 掉；化学稳定性和热稳定性好，在吸收过程中不起泡，有利于稳定生产；在低温下甲醇 黏度小具有良好的传热、传质性能；腐蚀性小，不需要特殊的防腐材料，